工程灾难:圣弗朗西斯大坝溃坝

大坝崩塌前的几个小时

大坝倒塌的当天早些时候，大坝管理员托尼·哈尼斯费格在他的大儿子科德尔的陪同下进行了例行检查。他注意到泥水似乎是从大坝底部的裂缝里流出来的。由于担心这些浑浊的水可能来自大坝地基，他打电话给首席工程师威廉·穆赫兰，表达了他的担忧。

穆赫兰和他负责该项目的助理工程师哈维·范·诺曼(Harvey van Norman)一起抵达，但经过检查后，他认为河水被一条新道路的泥土弄脏了，所以并不担心。穆赫兰刚回到城里的办公室，就接到了2号水电站的维修工程师丹·马修斯的电话。他还发现了浑浊的水，不过这次似乎是从大坝下面流出来的，从电站旁边流过。

穆赫兰再次检查了这次新的泄漏，虽然表示担心，但认为没有必要惊慌。仅仅12个小时后，午夜前几分钟，大坝决堤，产生了大约125英尺高的巨浪，沿着山谷冲向大海。

大坝上的裂缝

圣弗朗西斯大坝从1926年开始投入使用，然而，当它开始填充混凝土时，混凝土结构出现了裂缝。根据穆赫兰的说法，这是由于扩张和收缩造成的，对于这种大小的结构来说是正常的。裂缝和泄漏一直持续到大坝倒塌的那一天。

洛杉矶供水和农民不满

圣弗朗西斯大坝的目的是形成一个水库，为距离大坝40英里远的快速扩张的洛杉矶市供应饮用水。(请按右图放大。)

上面的大坝通道的图像https://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=1190341

大坝设计师和负责工程师穆赫兰是当时洛杉矶水利工程和供应局(现在被称为洛杉矶水利和电力供应局)的总工程师，也是董事总经理。

不满的当地农民已经不断抱怨将欧文斯河的水分流到同样由穆赫兰设计和建造的洛杉矶渡槽。引水渠为城市提供了饮用水，但这样做的代价是农民灌溉土地的水的损失。这很快导致了一场“水战”，农民们被指责为许多破坏行为，包括在引水渠上使用炸药。随后的维修对供水公司来说既昂贵又耗时。

因此，大坝建设的开始被尽可能地低调和保密;据《洛杉矶时报》报道，公众是在第一批混凝土浇筑完成后才知道这个项目的。

这座大坝花了两年时间才建成。

大坝倒塌的后果

历史天气资料洛杉矶地区的数据显示，从12月到3月降雨量最大。大坝在1928年3月7日左右达到了最大容量。

大坝墙体的缺口导致120亿加仑的水在巨大的浪涌中释放出来。这淹没了当地的财产和土地，许多家庭被困在那里，几乎没有获救的机会。第一批伤亡人员可能是大坝管理员托尼·哈尼斯菲格(Tony Harnischfeger)和他的家人，他们住在离大坝底部约四分之一英里的地方。当巨浪击中他们的小屋时，它已经有100多英尺高了;他们根本没有生存的机会。托尼·哈尼斯费格(Tony Harnischfeger)和他的儿子从未被找到，但男孩母亲的尸体被发现夹在大坝的两块混凝土之间。

巨浪继续前进，吞没了2号水电站，粉碎了它的混凝土结构，摧毁了它和里面的机器，然后顺着峡谷冲下去，淹没了巴斯代尔、卡斯泰克Junction和菲尔莫尔镇。

当巨浪到达最遥远的城镇和农场时，已经通过电话和警察摩托车手向沿途的居民发出了警告(尽管他们自己也有危险)。这些行动无疑挽救了许多生命。

这时，洪水以每小时5英里的速度前进，宽达2英里，席卷了前面的一切:牲畜、桥梁、城镇、建筑物，以及该地区著名的果园。它造成至少450人死亡，是加州继1906年地震和火灾之后最严重的灾难。

大坝决口五小时后，洪水将残骸和尸体冲进了蒙塔尔沃的太平洋，这里距离灾难现场约50英里。

下一个我们研究了大坝的设计，随后的调查，以及圣弗朗西斯大坝灾难的英雄。

大坝设计特点

大坝的标准

• 地点-旧金山基多溪，洛杉矶县，美国加利福尼亚州
• 高度:195英尺
• 长度:608英尺
• 水库容量:38,000英亩英尺

大坝的设计

圣弗朗西斯大坝是混凝土拱/重力设计，是拱和重力设计的结合，混凝土是使用的主要材料。

• 拱设计

在这种设计类型中，大坝由面向上游的曲线形状的混凝土建造。当水库在大坝后充满水时，形成的水静力被弧形拱吸收，并均匀(理论上)分布到基础和桥台上。

拱坝用于狭窄的，高壁峡谷，因为他们的设计允许减少壁厚，显著的材料建设成本节约实现。

• 重力设计

这些大坝通常建在直轴上，但也可以有一个轻微的曲线，以适应地形。它们抗水库水对坝壁施加的力的稳定性是基于它们固有的强度。这是通过它们的几何形状和通过混凝土质量作用到基础的重力来实现的。

因此，圣弗朗西斯大坝兼有这两种设计的优点，它被建立在被认为是坚实的基础上;然而，后来人们会发现，这些基础根本就不可靠。

混凝土与精确数量的水、水泥、沙子和石头混合，石头的大小是一个重要的强度和养护因素。

当我在海上油气建设基地担任工程师时，生产平台的混凝土重力支撑底座有一段时间很流行。现代混凝土施工方法允许连续24小时浇筑混凝土。百叶窗调整到浇注速度，根据所需的混凝土流量自动移动。这使结构具有均匀、坚固和光滑的效果。

回到20世纪20年代，当圣弗朗西斯大坝建造时，他们会计算混凝土的固化时间/重量，分批将其倒入百叶窗中，并在设置好后移动到下一段/水平。仅这一部分就需要大量的体力劳动，这就是为什么这项工程雇用了5000人。

在建造过程中，大坝的高度增加了几倍，最后在旧金山基多峡谷西部的桥台上增加了一个小的挡土墙或堤坝。这是为了在满负荷运行时保留储层内容物。

圣弗朗西斯大坝灾难调查

有关方面发起了十项或更多的调查，但我们将审查的是一项官方调查，也是被引用最多的调查。它是由加州州长c·c·杨任命的，在灾难发生一周后在洛杉矶举行。

杨州长委托了一个由四名土木工程师和两名地质学家组成的小组，他们熟悉混凝土大坝的设计和当地的地形。调查小组在现场花了一些时间，爬过遗迹，检查了支撑大坝地基的地面。在花了几天时间审查计划和设计后，他们写了一份报告，并在一周后向杨州长提交了报告。

他们的报告显示，圣弗朗西斯大坝的失败是由于两个不同的因素;

1. 穆赫兰设计大坝时，计算出的安全系数为4。安全系数的计算方法是将实际结构强度除以所需的最小结构强度。安全系数越大，结构发生故障的可能性就越小。由于大坝的预期寿命，高安全系数被建立在设计中，有些高达20。穆赫兰没有考虑到水库高度的增加会使水库的储水量比原来的设计容量多7%。这增加了大坝结构的额外应力，而强度没有任何变化，并可能将安全系数降低到1以下。
2. 支撑整个东桥台的部分大坝地基被铺设在一种被称为古滑坡的地质结构的古老基岩遗迹上，这种地质结构是由大型古滑坡形成的不稳定地面。一旦水库达到最大容量，对大坝施加最大的应力，它就会促使东桥台自行分离。然后它创建了自己的山体滑坡也导致坝底开裂。灾后照片证据证实了这一点，如下图所示。(请按图片放大。)

图像https://web.mst.edu/ rogersda / st_francis_dam lessons_learned_from_the_st_francis_dam_failure (geostrata_mar-apr_2006) . pdf(加州大学伯克利分校水资源档案馆李齐藏)

杨州长将这场灾难的全部责任归咎于洛杉矶供水工程管理局，并将对总工程师穆赫兰提起刑事诉讼。虽然他没有受到刑事指控，但他的事业一落千丈，他孤独地退休了，七年后郁郁而终。他的名字永存于好莱坞山成功的穆赫兰大坝和洛杉矶的穆赫兰大道上，该大坝在圣弗朗西斯大坝失败后迅速得到加固。

总督还建议，今后任何混凝土大坝的设计都应由合格的工程师委员会反复检查和批准，包括所有结构计算。

灾难英雄

人民本身就是天生的英雄;那些住在山谷里的人冒着生命危险开车去邻居那里叫醒他们，并帮助他们到地势较高的安全地带。

两名摩托车警察也冒着生命危险骑在人群前面，叫醒人们，并建议立即疏散。他们被描绘在自行车上圣保拉纪念碑．电话接线员不顾自身危险坚守岗位，拨打电话，向人们通报情况。

救援工作立即展开。许多工人也被称赞为英雄，他们赶到了废墟现场，尸体仍躺在被水冲走的地方。他们为幸存者安排了食物和住所，并开始了为灾难受害者建立太平间的可怕任务。

特别值得一提的是，这些组织为幸存者进行了不懈的工作，其中许多人失去了一切:

• 美国军团
• 美国退伍军人协会妇女辅助队
• 童子军
• 县妇女俱乐部联合会
• 美国红十字会

灾难发生后的第二天，《洛杉矶时报》设立了时代洪水救援基金。

下图是一个位于当地公墓的墓碑，描绘了一个家庭在大坝灾难后的最后安息之地;

从图片https://www.scvhistory.com/scvhistory/lw2154b.htm

参考文献

1. 出版物/ eng /手册:混凝土重力坝理论。
2. mst.edu:对大坝失效的调查。
3. npr.org:圣弗朗西斯大坝灾难周年纪念。
4. thesignal穆赫兰的悲剧性错误